一文了解汽車毫米波雷達工作原理與結構組成

1. 毫米波的基本特性

微波雷達使用電磁波，電磁波特性決定了微波雷達區別於超聲、聲吶等其它方法。

電磁波是交變電磁場，在自由空間傳播，電磁場交變的頻率，決定了雷達的基本屬性。當然，波長和頻率是一個等效的概念。電磁波按頻率劃分有這麼幾個典型的頻段：

圖片來源：WIKIPEDIA

可見光、紅外、雷射等，這些也是電磁波的一種，但由於頻率的不同，微波頻段的特性有很大差異，所以所基於可見光、紅外、或者雷射的方法一般不稱做雷達（雖然雷射的機理和雷達可能是類似的）。

當電磁波在空間傳播的時候，它傳播的介質一改變，就會發生反射、吸收、透射、衍射等現象。不同頻段的電磁波，這幾種現象的佔比有很大差異。

無論是微波雷達、主動紅外、雷射雷達都是基於反射特性，不同頻率的電磁波在反射特性上有很大差異，一方面取決於介質，也就是反射面的材質。如金屬的材質更容易反射微波，水主要會吸收電磁波，那麼水下我們就無法使用微波雷達。

同時，反射、透射等特性還取決於電磁波的頻率。比如我們的廣播，一般在屋裡也能接收到，但是Wi-Fi在隔了幾堵牆可能就很弱了，紅外和光根本就一張紙可能也透不過去。這是因為，通常波長越長，越容易發生透射和衍射現象，而波長越短，則越容易被反射。（當然波長小到一定程度，又具備了透射能力，比如X射線，但這是有別與宏觀物體的粒子層面了。）

一般來講電磁波波長和介質的尺寸之間的關係，如果波長大於介質的尺寸，那麼就容易透過和衍射，如果小於則容易反射。當然這裡需要區別的是射線，基本以粒子屬性為主，不能簡單看做是波動特性了。

我們要講的毫米波的波長在1mm～10mm之間，波長很短，它靠近太赫茲或者紅外，但是比這兩者的波長還是長很多。受限於器件和工藝水平的突破，毫米波長技術早期開發起來難度很大，近十年左右才迅速和廣泛的被利用和普及起來。

我們現在能用來通信和處理的電磁波頻率越來越高，現在已經講太赫茲、可見光通信了，這得益於技術的發展。毫米波頻段30～300GHz，頻率很高，但是頻段裡很多頻率區域的電磁波在空氣中傳播很容易被水分子、氧分子所吸收，可用的就幾個典型的頻段，比如24G、60G、77G/79G、120GHz等。當然24GHz很特別，他嚴格來講不是毫米波，因為它的波長在1.2cm左右。但是它是最早被利用的，現在各個國家把24GHz劃出來可以民用，77GHz劃分給了汽車雷達，24GHz也在汽車領域應用得很早。

毫米波由於它的波長很短，有別於無線電和較低頻的微波，根據剛才說的反射特性等特點來講，首先它很接近於光的傳播特性，對於較小的反射面（物體）也能較好的反射，另外由於頻率很高，它可用調製帶寬非常大。還有，一會我們會說到，由于波長很短，天線就可以做到很小。但是由于波長小，在空間傳播很容易被阻擋和吸收，這也導致它作用距離不可能太遠，當然遠近是相對其他波段來說的，毫米波一般作用距離也可以達到1km以上，通常在幾十到幾百米。

2. 毫米波雷達的目標檢測：測距、測速和測角

微波雷達就是發射電磁波並通過檢測回波來探測目標的有無和遠近的一種電子裝置。這個和超聲、主動紅外、雷射都一樣。只不過我們強調用了無線電波。

毫米波和大多數微波雷達一樣，有波束的概念，也就是發射出去的電磁波是一個錐狀的波束，而不像雷射是一條線。這是因為這個波段的天線，主要以電磁輻射，而不是光粒子發射為主要方法。這一點，微波雷達和超聲是一樣的，以波束的方式發射和接收，這也導致它有明顯的優缺點。優點：可靠，因為反射面大；缺點：分辨力不高。

毫米波雷達可以對目標進行有無檢測，以及目標的距離、速度以及方位角測量。

判斷有沒有目標很簡單，判斷回波有沒有就行了。

測距也簡單，可以基於TOF原理，但電磁波傳播速度是光速，所以對於近距離目標測距帶來了一定的挑戰。毫米波雷達作用距離都不太遠，比如汽車或者無人機應用，探測距離很近，回波和發射波間隔非常短，並不適合使用簡單的發射脈衝檢測回波時間差測距方式，所以現在主要採用FMCW（調頻連續波）測距方式較多。

毫米波雷達測速和普通微波測速雷達一樣，有兩種方式：一個基於Doppler原理，當發射的電磁波和被探測目標有相對移動、回波的頻率會和發射波的頻率不同，通過檢測頻率差可以測得目標相對於雷達的移動速度。但是這種方法無法探測切向速度；第二種方法就是通過跟蹤位置，進行微分得到速度。

毫米波雷達的側角，雷達對目標方位角的探測主要基於一種方法，就是使用較窄的波束進行掃描。當目標出現在波束中，我們一般沒有辦法判斷目標具體在波束內部的哪個方向，所以必須把波束做窄，當然能和雷射雷達一樣最好，但這個很難。那麼把波束做窄，有幾種方法：一種使用定向天線，比如喇叭天線或者透鏡天線。

還有一種方法，就是使用多根天線+陣列信號處理的方法。對於毫米波來講，由于波長很短，所以做多根天線的代價就很小（代價指成本、尺寸），所以毫米波雷達大量使用陣列天線的方式來構成窄波束。能做到多窄呢？比如3～5度，這是汽車雷達常用的天線波束能力。

3. 毫米波雷達的基本構成

民用毫米波雷達首先應用的方向是就是汽車應用，大約2000年左右，毫米波雷達就被用於汽車的ACC功能（自適應巡航）了，也就是在高速上與前車保持一定距離跟車。這依賴於毫米波長達200米以上的距離探測能力，其它手段是很難做到的。後來，又陸續發展出主動防撞、盲區探測等其它功能，以及現在更為複雜的高分辨能力（第五代汽車毫米波雷達）。

毫米波雷達一般有這麼幾個構成部分：天線、射頻、基帶、以及應用控制層。

3.1 天線

毫米波雷達波長在幾個毫米左右，由於天線尺寸和波長相當，所以毫米波雷達的天線可以做得很小，從而可以使用多根天線來構成陣列天線，達到窄波束的目的，隨著收發天線個數的增多，波束可以很窄很窄。另外一個因素是，由于波長很小，毫米波可以使用微帶貼片天線，就是下面圖片裡的樣子，在PCB板的Ground層上鋪幾個開路的微帶線就能形成毫米波天線，這樣毫米波雷達的天線可以做在PCB板上，和大家常見的Wi-Fi、藍牙的PCB天線一樣。當然，毫米波的頻率很高，需要特殊的高頻板材，比如羅傑斯R4835、RO3003。

3.2 射頻部分

早些年的毫米波雷達射頻部分通常採用分立器件搭建(下圖左)，設計和調測難度很大，只有為數不多的老牌射頻公司能做，並且形成了技術壁壘。但是晶片級別的毫米波射頻晶片（下圖右）的推出，將行業門檻迅速降低，之前幾萬塊錢的毫米波雷達，現在可以做到RMB100元以內。

當前使用SiGe工藝的MMIC還略貴，很多廠家推出了RF CMOS工藝的全集成晶片。

3.3 數位訊號處理

這部分主要就是各種雷達信號處理算法，主要包括陣列天線的波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類和跟蹤算法（如下圖）。雷達的架構並不太複雜，但是要做得好用，很多功夫就要下這方面。

很多毫米波雷達晶片廠家已經推出了射頻加基帶一體的解決方案，甚至於推出了AiP（天線集成在晶片封裝內）晶片。可以預見，毫米波雷達將在不久的將來應用於各行各業，無處不在。

本文轉載自公眾號 深圳承泰科技

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